Исследование: дождевая вода помогла рождению жизни на Земле

В статье ученых из Школы молекулярной инженерии Чикагского университета описан процесс, который мог происходить в первичном бульоне и привести к возникновению жизни. Ученые пришли к выводу, что для возникновения клеточных стенок необходим был дождь — капли пресной воды.
Исследование: дождевая вода помогла рождению жизни на Земле
В новой работе, подготовленной сотрудниками Школы молекулярной инженерии Прицкера Университета Чикаго, факультета химической инженерии Хьюстонского университета и Чикагского центра происхождения жизни, говорится, что дождевая вода могла помочь создать сетчатую стенку вокруг протоклеток 3,8 миллиарда лет назад — критический шаг на пути от крошечных бусинок РНК до всех бактерий, растений, животных и людей, которые когда-либо жили. UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Peter Allen, Second Bay Studios
Один из главных нерешенных вопросов о происхождении жизни заключается в том, как капельки РНК, плавающие в первичном бульоне, превратились в защищенные мембраной клетки. И вот сделан еще один шаг к пониманию этого процесса.

В статье ученых из Школы молекулярной инженерии Чикагского университета описан процесс, который мог происходить в первичном бульоне и привести к возникновению жизни. Ученые пришли к выводу, что для возникновения клеточных стенок необходим был дождь — капли пресной воды. Работа опубликована в журнале Science Advances.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В начале в первичном бульоне возникли молекулы РНК — это так называемый РНК-мир. А «коацерватные капли», похожие на капли растительного масла в воде, давно рассматривались как кандидаты на роль первых протоклеток. Но оставалась проблема. Эти капли слишком легко обмениваются молекулами РНК друг с другом. Это приводит к тому, что очень быстро все такие капли становятся одинаковыми. Но чтобы работал процесс эволюции капли должны друг от друга отличаться. Они должны обмениваться молекулами, но процесс не должен происходить слишком быстро.

Если бы любая капля, содержащая новую, потенциально полезную мутацию РНК, обменивалась этой РНК с другими каплями РНК в течение нескольких минут, в этом не было бы никакой пользы для эволюции, потому не было бы конкуренции. А значит и жизни.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Если молекулы постоянно обмениваются между каплями или между клетками, то все клетки через короткое время будут выглядеть одинаково, и никакой эволюции не будет, потому что вы в конечном итоге получаете идентичные клоны», — говорит соавтор работы Аман Агравал.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РНК-мир

Флуоресцентная микроскопия трех сосуществующих популяций стабильных коацерватных протоклеток. Протоклетки содержат длинные одноцепочечные РНК, помеченные зеленым, красным и синим флуоресцентными красителями. Отсутствие перемешивания цветов говорит о том, что обмен РНК между стабильными протоклетками ограничен.
Флуоресцентная микроскопия трех сосуществующих популяций стабильных коацерватных протоклеток. Протоклетки содержат длинные одноцепочечные РНК, помеченные зеленым, красным и синим флуоресцентными красителями. Отсутствие перемешивания цветов говорит о том, что обмен РНК между стабильными протоклетками ограничен.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Aman Agrawal

«Это как проблема курицы и яйца. Что было первым?», — говорит Агравал. — «ДНК — это молекула, которая кодирует информацию, но она не может выполнять никакие функции. Белки — это молекулы, которые выполняют функции, но они не кодируют никакой наследственной информации».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Такие исследователи, как лауреата Нобелевской премии Джек Шостак, предположили, что РНК появилась первой, и она позаботилась обо всем, а белки и ДНК медленно эволюционируют из нее.

«РНК — это молекула, которая, как и ДНК, может кодировать информацию, но она также сворачивается как белки, так что может выполнять такие функции, как катализ», — говорит Агравал.

РНК была вероятным кандидатом на роль первого биологического материала. Коацерватные капли были вероятными кандидатами на роль первых протоклеток. Коацерватные капли, содержащие ранние формы РНК, казались естественным следующим шагом.

Так было до тех пор, пока Шостак не опубликовал в 2014 году статью, в которой показывал, что РНК в коацерватных каплях обменивается слишком быстро.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Вы можете сделать все виды капель из разных типов коацерватов, но они не сохраняют свою отдельную идентичность. Они, как правило, обмениваются своим РНК-содержимым слишком быстро. Это давняя проблема», — говорит Шостак. — «Но в новой статье мы показали, что можно преодолеть по крайней мере часть этой проблемы, перенеся эти коацерватные капли в дистиллированную воду, например, дождевую или пресную воду любого типа, тогда они получат своего рода жесткую оболочку, которая не позволит им обмениваться содержимым РНК слишком быстро».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Жизнь из капель дождя

Хотя точный химический состав как ранних предбиологических молекул, так и раннего дождя до сих пор не известен, в новой работе описывается, как мог произойти такой переход.
Хотя точный химический состав как ранних предбиологических молекул, так и раннего дождя до сих пор не известен, в новой работе описывается, как мог произойти такой переход.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Aman Agrawal
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Работая с образцами РНК, Агравал обнаружил, что перенос капель коацервата в дистиллированную воду увеличивает временной масштаб обмена РНК — с нескольких минут до нескольких дней. Этого уже достаточно для мутации, конкуренции и эволюции.

«Если у вас есть нестабильные популяции протоклеток, они будут обмениваться своим генетическим материалом друг с другом и становиться клонами. Дарвиновская эволюция невозможна», — сказал Агравал. — «Но если они стабилизируются, чтобы достаточно хорошо хранить свою генетическую информацию, по крайней мере в течение нескольких дней, чтобы мутации могли произойти в их генетических последовательностях, то популяция будет эволюционировать».

Чтобы проверить свою гипотезу, ученые собрали дождевую воду в Хьюстоне и проверили стабильность капель в ней. В тестах с настоящей дождевой водой и с лабораторной водой, модифицированной для имитации кислотности дождевой воды, ученые получили те же результаты: образовались сетчатые стенки и возникали , условия, которые могли бы привести к возникновению жизни.

Новая статья доказывает, что этот подход к построению сетчатой стенки вокруг протоклеток может разделить молекулы жизни, приближая исследователей к правильному набору химических и экологических условий, которые позволяют протоклеткам развиваться.

«Молекулы, которые мы использовали для создания этих протоклеток, являются всего лишь моделями», — говорит Агравал. — «Хотя химия будет немного другой, физика останется прежней».